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国外碳纤维高压储气瓶的市场供需及生产链条

高压储气瓶是一种能够在高于环境压力或大气压力实现承装气体的密闭容器,高压储气瓶用途极为广泛,它在航空航天、新能源汽车、工业生产等领域具有广阔应用空间。尤其是在汽车领域已经获得一定应用,压缩天然气(CNG)储气瓶已经在天然气汽车普遍应用,而高压储氢瓶也是也是国内外重点发展下一代氢能源汽车中的重要组成部分之一。


目前以美国、加拿大为代表的北美国家在高压储气瓶领域已经形成了较为成熟的碳纤维制备-复合材料加工-高压储气瓶生产的完整链条,而且相关产值有逐年递增趋势,为此本文将为大家详细盘点一下北美区域高压储气瓶市场信息。


1、高压储气瓶的分类及结构特征


按照结构组成,目前已实现商业化生产的高压储气瓶分为四种,I型高压储气瓶是完全由金属钢组成,而II型高压储气瓶虽然也是采用金属钢材质,但是外层已经缠绕玻璃纤维复合材料,而且II型瓶中金属和玻璃纤维复合材料共同承担载荷。


III型、IV型高压储气瓶则主要是基于碳纤维增强塑料(CFRP)材料,前者内胆为金属,后者内胆为塑料,外部通过CFRP缠绕加工而成,而且在两种高压储气瓶中,CFRP为主承载材料。


除了上述四种已经商业化类型高压储气瓶,目前V型高压储气瓶尚未实现商业化,V型瓶主要材质与III型、IV型相同,均为CFRP,但其重要不同在于V型高压储气瓶不使用任何内胆。


在III型和IV型高压储气瓶中,由于CFRP成为主承力结构材料,CFRP轻质高强特性可以赋予高压储气瓶更高的工作压力和使用寿命,当然随着碳纤维的应用,其生产成本也较I、II型瓶有所提升。


在天然气汽车(natural gas vehicles,NGVs)和燃料电池汽车(fuel cell

vehicles,FCVs)中,CFRP材质的III型、IV型高压储气瓶可以有效降低重量,经济性明显,此外,CFRP高压储气瓶可以存储更多燃料,有效提升汽车续航里程。而未来十年天然气汽车和燃料电池汽车将会是III型、IV型高压储氢瓶的主要应用方向。


2、高压储气瓶CFRP缠绕成型工艺


在高压储气瓶加工过程中,CFRP多采用碳纤维缠绕工艺。在纤维缠绕成型过程中,碳纤维丝束在张力作用下围绕旋转心轴不断发生缠绕,逐渐形成圆柱形结构。


高压储气瓶中CFRP采用纤维缠绕工艺分为两种:一是干法缠绕,它是以经过预浸胶处理的预浸带为原料,在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上,示意图如图1所示。由于预浸带中纤维和树脂含量比例控制较好,因此干法缠绕工艺可以精确控制产品质量,而且生产效率高,缠绕速度可达100~200m/min。但是,由于预浸料成本较高,再加上干法缠绕设备较贵,因此在强调成本为主的高压储气瓶领域,该方法应用较少。


碳纤维干法缠绕示意图


另外一种方法是湿法缠绕,它是指将碳纤维丝束在特定浸胶装置中浸渍处理后,再在张力控制下直接缠绕到芯模上,示意图如图2所示。湿法缠绕中纤维离开浸渍装置后易于将树脂带出,从而导致树脂浪费,为了避免该现象,湿法缠绕速度往往比较慢;同时,由于树脂不断损耗,导致树脂与碳纤维比例难以控制。而且一般湿法缠绕工艺中伴随着溶剂挥发,会导致工作环境产生异味。


碳纤维湿法缠绕示意图


除了上述明显缺点,湿法缠绕工艺与干法缠绕相比也存在一些显著优势:首先是生产成本较低,约比干法缠绕低40%;其次是产品气密性好,在缠绕过程中,通过张力控制可以使多余的树脂胶液将气泡挤出,并填满空隙;最后,湿法缠绕时,碳纤维表面浸渍的树脂胶液可有效减少纤维磨损。其实单从成本而言,湿法缠绕就具有明显优势,因此是目前高压储气瓶最常用的加工工艺。


3、国外高压储气瓶供需情况分析


由于高压储气瓶应用领域比较广泛,各领域对2012-2022年压力容器领域所需碳纤维用量如。CNG和H2为高压储气瓶,“Bulk Transport” 

和 “SCBA”分别为天然气管道压力容器和潜水用压力容器,2018年天然气和氢气高压储氢瓶用碳纤维的需求量约为7,490吨。


1966年美国通用汽车公司创造了世界上第一辆FCV,即雪佛兰Electrovan,其整个后部装有氢气储罐和燃料电池。自Electrovan以来,燃料电池汽车的商业前景有所改善,但是一直以来发展比较缓慢。2004年,加利福尼亚州州长阿诺德施瓦辛格计划到2010年建立250个加氢站和生产20,000辆燃料电池汽车作为目标,然而在2013年,加利福尼亚只有9个加油站和几百辆燃料电池汽车。 


尽管燃料电池汽车发展缓慢,但FCV可能最终处于商业化的前沿。丰田,宝马,现代,雷诺,日产,戴姆勒,福特,通用汽车和本田都计划在2020年之前推出商用燃料电池汽车,预计燃料电池汽车年销量将从2015年的1,000辆增加到超过2,000,000辆。 


相比之下,NGV市场已经相当稳固,目前已经形成完善技术和加气基础设施。 NGV的多采用I型、II型储气瓶。然而,基于CFRP材质的III型、IV型储气瓶具有广阔潜在应用市场。在2012年,大约有99,000辆天然气汽车采用了CFRP高压储气瓶,而此时燃料电池汽车总产量估计远低于500辆。预计到2022年将有约100万基于CFRP的NGV高压储气瓶销售。因此,未来十年中在高压储气瓶领域,天然气汽车NGV显然比燃料电池汽车FCV拥有更大发展空间。


4、国外高压储气瓶的市场规模


考虑到III型、IV型高压储气瓶采用了CFRP,尤其是碳纤维具有较高的成本,而为了有效降低成本,目前比较普遍采用的为日本东丽T700s,规格为24k,价格一般为24-30美元/kg。当然,除了日本T700S以外还由其他品种纤维用于高压储气瓶加工。


全球范围高压容器所需碳纤维市场规模,2020年,北美在高压容器用碳纤维市场值将会有大规模提升。


5、国外高压储气瓶的供应链


目前国际上生产III型、IV型高压储气瓶的生产厂商主要有7家,如表3所示,在这7家制造商中有6家位于北美,而总部位于意大利的Faber Industries是唯一一家不在北美的制造商。其中生产商中有四家美国制造商和两家加拿大制造商。


目前III型、IV型高压储气瓶用碳纤维及其复合材料链条,所有碳纤维前驱体纤维均是由日本三家企业:东丽、三菱和东邦提供,其中日本东丽在本土、美国、法国、韩国均建有碳纤维生产线,然后生产的CFRP又可以为美国和加拿大的高压储气瓶企业提供原料。


日本三菱公司生产碳纤维及CFRP市场也主要是集中在美国,部分产品也提供给德国汽车企业,而东邦公司碳纤维及CFRP市场主要在泰国,面对的是亚太区域的市场。


6、区域竞争力对比分析


目前美国在70MPa高压储氢瓶技术已经比较成熟,而且在未来发展有领涨全球的趋势,但是由于亚洲尤其是中国在天然气汽车发展迅速,天然气高压储气瓶增长趋势不容小觑,为此针对美国和中国在高压储气瓶领域成本和竞争力进行了详细分析。


主要对比项分为3项UU是指碳纤维和CFRP均在美国加工,CC是指碳纤维和CFRP均在中国加工,CU是指指碳纤维材料在中国加工,生产CFRP运输到美国进行后续加工。经过对比,虽然美国政府优惠条件电费等能耗也比较便宜,但是美国人工成本过高,高压储气瓶整个产业如果在美国本土,成本要明显高于中国成本,说明中国未来在高压储气瓶领域会存在一定竞争优势。


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